Abgasreinigung als Beitrag zum Klimaschutz

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1 Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) Abgasreinigung als Beitrag zum Klimaschutz Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse HTW Dresden (FH) Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik Förderkreis Abgasnachbehandlungstechnologien für Dieselmotoren e.v. (FAD)

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Physikalische Stellhebel auf CO 2 -Emission - Antrieb -Kraftstoff 3. Abgasnachbehandlung - Ottomotor - Dieselmotor 4. Abgasnachbehandlung und CO 2 -Emission - Oxidationskatalysator - Partikelfilter - DeNOx-Katalysator 5. Zusammenfassung 2

3 Einleitung - Klimawandel Anstieg der globalen CO 2 - Konzentration in der Atmosphäre führt je nach Klimamodell zu einer Zunahme der durchschnittlichen Temperatur zwischen 3-6 K bis Folgen: Abschmelzen der Pole und Gletscher Zunahme von extremen Wettererscheinungen (Dürre; Stürme, Hochwasser etc.) Veränderung der regional typischen Flora und Fauna 3

4 Einleitung Verkehrsbedingte CO 2 -Emission Die Automobilindustrie im Fokus der Politik und im Mittelpunkt der öffentlichen Kritik. 4

5 Einleitung Verkehrsbedingte CO 2 -Emission Sonst.; 9% Haushalte; 8% Industrie; 18% Europa; 21% Kanada+Mexiko; 7% Pazifik; 9% Ehem. Sowjetunion +Osteuropa; 6% China; 2% Asien-Rest; 2% Indien; 1% Nahe Osten; 1% Pkw; 10% Lateinamerika; 5% Energieerzeugung +umwandlung; 41% übriger Verkehr; 14% Afrika; 2% USA; 45% Quelle: BP ATZ/MTZ CO 2, 2007 Etwa ein Viertel der weltweiten CO 2 -Emissionen sind verkehrsbedingt. Bis 2050 wird eine Verdopplung dieses Sektors erwartet, insbesondere durch den Anstieg in den BRIC-Staaten und den bisher unterdurchschnittlich beitragenden Regionen. 5

6 Einleitung Stand der Selbstverpflichtung *Hier ist der Mittelwert Flottenverbrauch 130g/km zu erreichen. Die Differenz zu 120g/km soll durch additive Maßnahmen z.b. regenerative Kraftstoffe erreicht werden. Der Diesel hat eine führende Rolle bei der Reduzierung der CO 2 -Emissionen. Flottenverbrauchsabsenkung der ACEA-Flotte um ca. 14% seit 1995 trotz steigender Fahrzeuggewichte und Fahrleistungen. Damit das Ziel der EU-Kommission bis 2012 erreicht werden kann, sind noch enorme Anstrengungen erforderlich Quelle: DC, 7.Dresdner Motorenkolloquium,

7 Einleitung Schadstoff- und CO 2 -Emission Gesetzgebung in Europa war bisher auf Reduktion der Schadstoffemission (CO, HC, NOx, PM) ausgerichtet. Hier sind in allen Fahrzeugklassen durch inner- und nachmotorische Maßnahmen bedeutende Reduktionen erzielt worden. Aber: Durch Zunahme der Motorisierung und Erhöhung des Transportaufkommens Anstieg der CO 2 -Emission. Weitere Reduktion der Schadstoffgrenzwerte bedingt den Einsatz von AGNund führt zu einem Anstieg der CO 2 -Emission. Diese muss durch zusätzliche Maßnahmen am Fahrzeug zumindest kompensiert werden. Systemen 7

8 Physikalische Stellhebel auf die CO 2 -Emission Antrieb: Brennverfahren Einspritzung Aufladung Getriebe Kraftstoffe: Benzin Diesel Erdgas Alternative Kraftstoffe * Pflanzenöle * CTL * BTL * GTL * Wasserstoff Aerodynamik: Umströmung Durchströmung Aktive Aerodynamik Abgasnachbehandlung: Gegendruck Gewicht Regenerationsmanagement Rollwiderstand: Reifendruck Reibung Gewicht: Leichtbau Werkstoffsubstitution Energiemanagement: Auto Start-Stop-Funktion Energierückgewinnung (Bremsen) Elektrifizierung (Wasserpumpe, Klimakompressor) By-Wire-Technology (Lenkung, Bremsen etc.) Wärmemanagement (Reibungsreduktion, AGN-System) 8

9 Einfluss auf die CO 2 -Emission - Antriebskonzept 9

10 Einfluss auf die CO 2 -Emission Antriebskonzept I Vergleich Otto- und Dieselmotor (IDI-Brennverfahren) Vorkammer Wirbelkammer Verbrauchsvorteil zum Ottomotor > 15% 10

11 Einfluss auf die CO 2 -Emission Antriebskonzept II Direkteinspritzender Dieselmotor Verbrauchsvorteil zum IDI-Diesel > 15% zum Otto-Motor > 30% Mit der Direkteinspritzung begann so richtig die Erfolgsgeschichte des PKW-Diesel 11

12 Einfluss auf die CO 2 -Emission Antriebskonzept III Produktion [Mio. Fahrzeuge] Quelle: Bosch indirekte Einspritzung direkte Einspritzung Dieselanteil Jahr Dieselanteil an der PKW-Produktion [%] 12

13 Einfluss auf die CO 2 -Emission - Kraftstoff Höhepunkt der Erdölförderung je nach Szenario zwischen 2015 und 2025 erwartet. Quelle: Weltweit ansteigende Kraftstoffpreise, die endliche Verfügbarkeit der fossilen Energieträger sowie eine günstige Beeinflussung der Schadstoff- und CO 2 -Emission sind die Beweggründe für die Untersuchung von alternativen Kraftstoffen. 13

14 Einfluss auf die CO 2 -Emission Kraftstoff I Dieselkraftstoff Ottokraftstoff Kohlenstoff (C) ca. 86,5 Ma.-% ca. 87,1 Ma.-% Wasserstoff (H) ca. 13,5 Ma.-% ca. 12,8 Ma.-% Schwefel (S) < 150 mg/kg < 150 mg/kg Stickstoff (N), Metalle < 50 mg/kg < 50 mg/kg Dichte kg/m³ 0,72 0,775 g/cm³ Bei der Verbrennung von 1 Liter Kraftstoff entstehen dabei ca g/l CO 2 ca g/l CO 2 Für die Erreichung des Grenzwertes 130 gco 2 /km ergibt sich daher ein Kraftstoffverbrauch von Ziel 130 gco 2 /km ca. 4,9 l/100km ca. 5,5 l/100km 14

15 Einfluss auf die CO 2 -Emission Kraftstoff II Referenz: Ottosaugmotor Diesel CO 2 -Vermeidungspotenziale [%] B5-Diesel B10-Diesel (RME)* * nicht einsetzbar mit DPF BTL Diesel Hybrid Otto Hybrid CNG Quelle: AUDI, 7.Dresdner Motorenkolloquium,

16 Einfluss auf CO 2 -Emission Alternative Kraftstoffe I Biokraftstoffe der ersten Generation stehen in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion Tortilla- Unruhen in Mexiko durch drastische Erhöhung der Maispreise aufgrund der Ethanolproduktion Kraftstoffe der zweiten Generation nutzen gesamte Pflanze höhere Ausbeute pro Hektar 16

17 Einfluss auf CO 2 -Emission Alternative Kraftstoffe II Substitution von Benzin durch Ethanol 17

18 Einfluss auf CO 2 -Emission Alternative Kraftstoffe III Einsatz von Biomethan im Ottomotor 18

19 Einfluss auf CO 2 -Emission Alternative Kraftstoffe IV Einsatz von Biodiesel 19

20 Einfluss auf CO 2 -Emission Alternative Kraftstoffe V Einsatz von Pflanzenölen in Dieselmotoren Motoren 20

21 Einfluss auf CO 2 -Emission Alternative Kraftstoffe VI Einsatz von BTL 21

22 Abgasnachbehandlung Frische Luft für Fußgänger Karikatur aus dem Jahr

23 Abgasnachbehandlung Ottomotor I 3-Wege-Katalysator simultane Reduktion von HC, CO und NOx 23

24 Abgasnachbehandlung Ottomotor II Abgaszusammensetzung vor Kat Abgaszusammensetzung nach Kat 3-Wege-Katalysator simultane Umwandlung der Schadstoffe NOx; CO und HC zu N 2 ; CO 2 und H 2 O simultane Konvertierung nur im schmalen Lambda-Fenster = 1 ± 0,5% möglich für optimale Funktion muss die Temperatur des Katalysators über Light-off-Temperatur sein bei Kaltstart daher zunächst erhöhte Emission etablierte Technologie Bei direkteinspritzenden Ottomotor für Reduktion der Stickoxide nicht einsetzbar, da Magerbetrieb ( > 1) hier NOx-Speicher- Katalysator 24

25 Schadstoffemission des Dieselmotors I Schadstoffentstehung unvollständige Verbrennung (Ruß, CO, HC) Reaktionsprodukte von Begleitstoffen im Kraftstoff (SO 2 ) unerwünschte Nebenreaktionen (NO x ) Abgasemission Dieselmotor Schadstoffzusammensetzung 0.2% 8% 9% 9% 6% 1% 4% 4% 73.8% Schadstoffe CO2 H2O O2 N2 85% SO2 Ruß HC CO NOx Ruß und NO x sind aufgrund ihrer Toxizität Problemschadstoffe beim Dieselmotor Folge: besonders strenge Reglementierung seitens des Gesetzgebers 25

26 Schadstoffemission des Dieselmotors II Die Lungengängigkeit der Partikel Verzweigungen der Luftwege und Eindringtiefen verschiedener Partikelgrößen Nasenschleimhäute und Rachen: > 10 μm (z.b. Zementstaub) Kehlkopf: 5-10 μm Luftröhre und Hauptbronchien: 3-5 μm (z.b. feine Flugasche) Sekundäre und terminale Bronchien: 1-3 μm Alveolen < 1μm (z.b. Dieselpartikel) 26

27 Schadstoffemission des Dieselmotors III Rußwolke eines Dieselfahrzeuges Rußpartikeln in den Alveolen Foto: Lennart Nilson, Dagens Nyheder

28 Schadstoffemission des Dieselmotors IV Größ ößenordnung von Rußpartikeln Gegenüberstellung der möglichen Partikelgrößen. Menschliches Haar ~ m 1,6E+07 1,4E+07 1,2E+07 Typische Partikelgrößenverteilung eines Dieselmotors dn/dlogdp [#/cm3] 1,0E+07 8,0E+06 6,0E+06 4,0E+06 2,0E+06 0,0E Elektrischer Mobilitätsdurchmesser [nm] 28

29 Schadstoffentstehung beim Dieselmotor Partikelbildung Stickoxidbildung - PM-Bildung beim Dieselmotor prinzipbedingt - für PM-Emission neben Bildung vor allem Oxidation wichtig - Oxidation bei hohen Temperaturen und Luftüberschuss - im Dieselmotor etwa 90% der gebildeten Stickoxide NO - Bildung von lokalen Bedingungen v und T und der Verweilzeit abhängig - stärkste Abhängigkeit von der Temperatur Zielkonflikt zwischen Partikel- und Stickoxidminimierung 29

30 Emissionsminderung beim Dieselmotor Emissionsminderung Innermotorisch Brennverfahren Einspritzsystem Abgasrückführung Aufladung Downsizing Abgasnachbehandlung Dieseloxidationskatalysator (DOC) Diesel-Partikelfilter (DPF) DeNOx-Katalysator -SCR -NSK Spätestens ab EU 4/ EURO IV ist für die Einhaltung der Abgasgrenzwerte die Anwendung von Abgasnachbehandlungssystemen erforderlich. Particulate [g/km] Particulate [g/kwh] Diesel-Pkw * EU 4 EU 3 zumeist innermotorisch mind. DPF =>> DPF + DeNOx EU 6 EU *proposal Nitrogen Oxide [g/km] Diesel-Nfz EURO III innermotorisch + 1 x AGN 0.02 EURO V EURO IV EURO VI * Nitrogen Oxide [g/kwh] *proposal innermotorisch + DPF + SCR 30

31 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DOC I CO, HC, NO, SOF, PAH O 2 DOC CO 2 ; H 2 O, NO 2 2CO O 2C H NO O 7O 2 2CO 2 2 4CO 2NO 2 2 6H O 2 Herausforderung DOC: NO 2 -Bereitstellung für nachfolgende AGN- Systeme Schadstoffkonversion auch im gealterten Zustand Funktionalität: Katalytisches Heizen geringe Light-Off- Temperatur NO 2 -Anteil nach DOC [%] TGG 80 DOC 1 neu DOC 2 neu 50 DOC 1 thermisch gealtert DOC 2 thermisch gealtert mittlere Temperatur vor DOC [ C] 31

32 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DOC II Vorwiegende Bauformen des DOC Metallischer DOC Keramischer DOC Trägerstruktur Washcoat 32

33 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DPF I Dieselpartikelfilter (DPF) Stand der Technik: Wirkungsgrade >95% etablierte Substrate: SiC, Cordierit, Sintermetall neue Substrate in der Entwicklung: Metallschaum, Mullit, Aluminiumtitanat Mechanismen der Partikelabscheidung Quelle: JM Filtrationsprinzip eines keramischen DPFs 33

34 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DPF II Temperatur vor Dieselpartikelfilter [ C] oberhalb 600 C erfolgt selbständige thermische Filterregeneration Last / eff. Mitteldruck [bar] C 300 C 400 C 500 C Quelle: FEV, FAD CO 2 -Workshop, Drehzahl [U/min] Die Herausforderung ist nicht die Filterung sondern die Regeneration des Partikelfilters 34

35 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DPF III Regenerationsstrategien DPF Oxidationsrate dm/(m dt) [1/s] CRT CSF FBC O 2 CRT: Continuously regenerating trap passives System Regeneration mit NO 2 CSF: Catalyzed soot filter katalytisch beschichtetes Filter Regeneration mit NO 2 + O 2 FBC: Fuel borne additive katalytisch wirkendes Regenerationsadditiv wird dem Kraftstoff zugemischt Regeneration mit O Abgastemperatur [ C] Regeneration: aktive mit O 2 : Brennersysteme, motorische Maßnahmen + DOC, Fuelprozessor passive mit NO 2 : CRT, CSF, CCRT kombinierte: FBC + Nacheinspritzung; CSF/CRT + motorische Maßnahmen (falls erforderlich) 35

36 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DeNOx I 1. Diskontinuierlicher Prozess mit NO x -Speicherkatalysator (NSK) > 1 : NO x - Speicherung (Nitratbildung) < 1 : NO x - Regeneration und Reduktion Kraftstoff mit weniger als < 15 ppm Schwefel notwendig Eingriff in die Motorapplikation für Funktion notwendig Kraftstoff als Reduktionsmittel zur NOx-Minderung 2. Quasikontinuierlich arbeitendes Harnstoff SCR System - Hydrolyse and Thermolyse von Harnstoff Ammoniak - Bildung - Reduktion von NO x im SCR - Katalysator Harnstoff als Reduktionsmittel zur NOx-Minderung Logistik erforderlich Kundenfreundliches Nachfüllsystem erforderlich 36

37 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DeNOx II Problematik Schwefelvergiftung NSK Aktivitätsfenster für NO X -Speicherkat 150 C < T < 500 C, Maximum etwa bei C T< 300 C : Effizienz des Kats durch Oxidationsgeschwindigkeit von NO zu NO 2 bestimmt Temperatur: Oxidationsgeschwindigkeit thermische Schädigung Deaktivierung insbesondere bei Temperaturen 150 C C Temperaturen für Entschwefelung C. Beherrschung Schwefelproblematik = Schlüsselfaktor für erfolgreiche Markteinführung NSK 37

38 Abgasnachbehandlung Dieselmotor: DeNOx III Problematik Kaltstart SCR: Quelle: VW, 7. Dresdner Motorenkolloquium, 2007 Fzg-Geschwindigkeit [km/h] Temperatur [ C] Abgastemperatur vor SCR-Kat NO x kum. vor SCR NO x kum. nach SCR Dosierfreigabe 600 Messzeit [sec] Kum. NOx-Menge [g] Dosierfreigabe erfolgt wegen Temperaturanforderung für Harnstoffzersetzung und SCR- Kat erst nach knapp 700 s des MVEG-Tests bis dahin keine NOx-Reduktion!!! Für zukünftige Grenzwerte Verkürzung der Kaltstartdauer erforderlich hierfür sind Heizstrategien erforderlich Kraftstoffmehrverbrauch höhere CO 2 -Emission!!! 38

39 Abgasnachbehandlung CO 2 -Emission I Ohne kompensierende Maßnahmen bewirkt die Nutzung von AGN-Systemen zunächst immer einen Kraftstoffmehrverbrauch = höhere CO 2 -Emission. Ursache hierfür: Erhöhung Abgasgegendruck spielt bei DPF größte Rolle Zusatzgewicht Regenerationsmaßnahmen DPF + NSK Heizstrategie SCR elektrischer Bedarf Dosierpumpen, Steuerung etc. bei SCR erfolgt zusätzlich noch CO 2 -Emission von etwa 1,2% des Kraftstoffverbrauchs aus AdBlue-Zersetzung Durchschnittlicher Mehrverbrauch heutiger Systeme beim Pkw: DOC: 1-2%; DPF: 3-5% Einsatz DeNOx eröffnet bei heutigen Grenzwerten Möglichkeit der kraftstoffverbrauchsoptimalen Motorauslegung folgende Folie 39

40 Abgasnachbehandlung CO 2 -Emission II relative CO 2 -Emissionen [-] 110% 105% 100% Einsatz DeNO x 6 ca. -5% 5 CO 2 -Optimierte Motorapplikation Emissionsstufe (EURO) Quelle: VW, CO 2 -Workshop, 2007, Berlin 40

41 Abgasnachbehandlung CO 2 -Emission III 6 relative CO 2 -Emissionen [-] 110% 105% 100% CO 2 -Anstieg bei weiter verschärften NO x -Grenzwerten Emissionsstufe (EURO) Quelle: VW, CO 2 -Workshop, 2007, Berlin 41

42 Zusammenfassung Abgasnachbehandlung verursacht ohne kompensierende Maßnahmen immer einen Kraftstoffmehrverbrauch und folglich höhere CO 2 -Emission Motoroptimierung in Richtung Verbrauchsoptimierung unter Beachtung der Schadstoffminimierung damit Absenkung der Rohemission, um AGN-System so klein wie möglich zu machen Abgasnachbehandlungssystem kann nicht als separates Bauteil optimiert werden hier muss vielmehr eine funktionale Abstimmung mit dem Motor erfolgen Fazit: Simultane Schadstoff- und CO 2 -Emission ist mit erheblichen technischen und finanziellen Aufwand verbunden sie ist aber möglich. 42

43 Wie wir dem Klimawandel begegnen können Quelle: 43

44 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit 44

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46 FAD -Qualitätssiegel für Dieselabgasnachbehandlungssysteme Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse, FAD e.v. / HTW Dresden (FH) 46

47 Verfahren zur Verleihung des Qualitätssiegels tssiegels Antrag auf Erteilung des Qualitätssiegels Systemhersteller Zeichennutzer Empfehlung für Erteilung des Qualitätssiegels an FAD e.v. FAD e.v. Zeicheninhaber Vergabekommission Auftrag zur Prüfung des AGN-Systems Akkreditierte Prüfstellen Vorlage des Prüfberichtes 47